工业4.0时代的信息化系统体系结构研究

严新金，彭发强，王锦兰，林晔琛，胡国良

（1.厦门大学，福建 厦门 361005；2.闽江学院，福州 350108）

1 工业4.0 简述

在各种运行有序的机器旁边，若干身着蓝色工装的工人在计算机前不紧不慢地操作着，脚下干净的地面和周遭优雅的环境给人一种错觉——这分明是高端写字楼里的办公室啊。生产线上，在微型计算机的控制下各种元器件自动的在传输带上前行，到每个节点又自动的朝不同分支的生产线传输，这才证明这里确实是工业化的生产车间。这就是工业4.0 时代工厂车间里的普遍现象。工业4.0 是由德国技术科学院(ACDTECH)等机构联合提出的国家战略，旨在确保德国制造业的未来竞争力和引领世界工业发展潮流。

18 世纪末以瓦特发明蒸汽机为标志的第一次工业革命是工业1.0 版。20 世纪初的工业革命借助电能和流水线进行大批量生产是工业2.0 版。20 世纪中期计算机、微控制器的大规模应用掀起了一场生产自动化的工业革命，这是工业3.0 版。进入21 世纪，随着互联网、物联网、新材料等技术的高速发展，整个工业生产体系提升到了一个全新的水平，这就是工业4.0 版，其本质就是物理和信息系统的深度融合，是虚拟世界和现实世界的高度融合。

2 工业4.0 时代信息化系统的体系结构及其特点

2.1 工业4.0 时代信息化系统的体系结构

工业4.0 是以智能制造为主导的第四次工业革命，是将虚拟制造、智能制造和传统制造业高度融合的制造模式。在该模式下，人们可以极大程度地利用传感器、网络、物联网和云计算等先进技术将生产制造与消费服务形成互联互通的有机体，建立高度灵活的个性化和数字化产品与服务生产制造模式，而实现这一战略的核心技术就是CPS 信息物理系统（Cyber-Physical Systems）。

CPS 信息物理系统包含了环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程，使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自治功能。它注重虚拟制造与物理制造的协调与紧密结合。CPS 信息物理系统是工业4.0 的核心支撑技术，是虚拟世界和物理世界之间的桥梁和纽带（如图1 所示）。同时也是位于物联网和互联网中间层的平台架构（如图2 所示）。

图1 基于CPS模式的工业4.0架构

图2 CPS作用

本文结合工业4.0 的概念和需求，参照OSI 网络模型，提出了一种层次化、模块化的CPS 体系结构，，该结构自上而下可分为应用层、网络传输层、物理链路层（如图3 所示）。应用层是CPS 与虚拟世界的窗口，是CPS 与互联网的接口，主要提供CPS 对接互联网的服务，使用户独立于CPS 本身繁琐的功能体系，专注于CPS 的应用。物理感知层是主要感知、提取和处理机器、设备和环境等方面的数据，提取现实世界的数据。网络层主要实现数据的传输和资源共享，作为CPS 的纽带其连接着物理感知层和应用层，由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网等组成，类似于人的神经中枢系统，负责将物理感知层获取的信息安全可靠地传输到应用层，然后根据不同的应用需求进行信息处理。

图3 CPS三层架构

2.2 基于工业4.0的CPS体系结构特点分析

第一，虚拟的信息世界与现实的物理世界的协同交融。CPS通过传感器、微型控制器等设备感知现实的物理世界，再通过各种计算机网络与虚拟的信息世界融合，信息与物理直接存在着反馈闭环。

第二，通过物理感知层自主的适应客观物理环境的动态变化，具有自适应能力和重配置功能。

第三，现实的物理世界和虚拟世界的融合受时间和空间的限制，CPS两端的物理世界和信息世界处在同一时间维度。

第四，具有开放的异构性。CPS动态的接入不同的物理实体、计算机部件和模型等，自适应不同的条件和应用需求。

3 工业4.0时代信息化的变革与挑战

随着物联网技术的大规模普及与应用，工业4.0将建立在CPS基础之上，将物理设备与虚拟网络融合以推动工业产品和技术的升级换代。CPS不仅将催生新的工业，甚至会重新排列现有的工业布局，同时CPS的发展也面临着巨大的挑战，主要有如下几方面。

3.1 节点互联的挑战

CPS作为虚拟世界与物理世界之间承上启下的中间平台，允许也必须与各种网络节点融合。但是现有的网络节点缺乏统一的标准，接口繁多且千差万别，如何实现节点接口、如何定位节点和如何路由节点是CPS网络通信面临的一大挑战。

3.2 协同工作的挑战

CPS上承信息系统和互联网，下启物理感知节点，是三者之间能否协同工作的关键所在。其本质在于将物理设备连接到互联网上，让物理设备实现计算、通信、精确控制、远程协调和自治等5大功能。所以如何让物联网、互联网和CPS构成的庞大的网络能互联互通、井然有序地协同工作是CPS的又一大挑战。

3.3 安全验证方面的挑战

CPS的核心技术是要将物理设备、互联网、无线网和有线网等各种网络和不同的异构体集成融合，不同异构体间的组合需要经过充分的安全验证。然而在缺乏统一标准和机制的情况下，肩负与安全攸关的CPS系统，其安全验证行为极其复杂。

4 结 语

本文主要讨论了工业4.0时代信息化系统的体系结构，提出CPS的三层体系结构模型，并论述了CPS所面临的挑战。CPS作为互联网和物联网融合的关键技术，将为未来智能制造、智慧生活提供良好的机遇。